etudes preliminaires de prcedes sur la base de

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ETUDES PRELIMINAIRES DE PRCEDES SUR LA
BASE DE BILANS EN REGIME PERMANENT

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1 - POSITION DU PROBLEME ET CONTEXTE THEORIQUE.............................................. 3
2 - ANALYSE D'UN PROCEDE..................................................................................................... 3
2.1 - Analyse globale du procédé.................................................................................................... 4
2.2 - Analyse appareil par appareil ................................................................................................. 5
3 - INFLUENCE DE L'ARCHITECTURE DU PROCEDE......................................................... 6
4 - A PROPOS DU ROLE DES BILANS DANS LA CONCEPTION D'UNE UNITE.............. 6
5 - CAS D'UNE ARCHITECTURE DE TYPE LINEAIRE ......................................................... 7
6 - RECYCLAGES ET PURGES .................................................................................................. 11
6.1 - Traitement des schémas élémentaires................................................................................... 12
6.2 - Traitement d'unité avec recyclage ........................................................................................ 15
6.3 - Exemple d'unité avec recyclage............................................................................................ 17
6.4- Unité avec recyclage et purge................................................................................................ 20

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1 - POSITION DU PROBLEME ET CONTEXTE THEORIQUE
e coût des matières premières et des utilités (catalyseurs, stabilisateurs, antimoussants,
etc…), d’une part et, d’autre part, celui de l’énergie thermique constituent, presque
toujours, des postes déterminants dans l'évaluation du prix des produits que fabriquent
les industries chimiques, agroalimentaires, pharmaceutiques, etc…
Voilà pourquoi il est essentiel de déterminer, avec le maximum de précision possible, toutes
les consommations correspondantes. On donne, traditionnellement, à cette comptabilité le nom de
bilans matière et thermique.
Nous pouvons ajouter que ces évaluations doivent être effectuées dans deux circonstances
différentes.
Les consommations doivent, d’abord, être calculées, de manière prévisionnelle, pendant la
phase de conception de toute unité qu’on envisage de construire ; les résultats sont, en effet,
indispensables pour juger de la rentabilité potentielle de l’investissement nécessaire. Il s’agit, là,
d’appliquer, systématiquement, les équations globales de continuité, de bilan par espèce et de bilan
enthalpique sur l’ensemble de l’unité puis, appareil par appareil en émettant des hypothèses
raisonnables sur les rendements et sélectivités des réactions chimiques mises en jeu et en effectuant
de premières évaluations des performances des appareils principaux. Nous parlerons, ici, d’études
préliminaires des procédés.
Ensuite, une fois l’unité construite et équipée des dispositifs de mesure nécessaires, ces
mêmes consommations doivent être surveillées avec attention. Une utilisation systématique des
équations de bilans globaux permet, cette fois, de vérifier le bon fonctionnement de l’ensemble des
équipements. Toute anomalie constitue l’indice soit d’un dysfonctionnement d’un appareil de
mesure, soit, plus rarement, de l’existence d’une fuite qui n’a pas encore été directement repérée.
Si effectuer des bilans matière et énergie constitue, au niveau des principes, un exercice
facile, la pratique devient vite fastidieuse dès que le nombre d’appareils et de constituants mis en
jeu croit. Voilà pourquoi des sociétés spécialisées ont développé et mettent en vente des logiciels
qui apportent une aide très efficace pour effectuer ces travaux de manière systématique.
Ce chapitre constitue une introduction à ce sujet extrêmement classique du génie des
procédés. Nous y traitons du cas d'unités de production fonctionnant en régime permanent ; les
régimes transitoires seront abordés au cours de la seconde année.
2 - ANALYSE D'UN PROCEDE
La première démarche à réaliser, avant d'entreprendre l'analyse d'un procédé, consiste à
schématiser l'ensemble des opérations, représenter les entrées et les sorties afin de préciser les
limites du procédé et les échanges avec le milieu extérieur. Il est nécessaire de choisir une base de
bilan en fixant l'horizon de temps (généralement une heure, un jour ou une année de
fonctionnement) et en indiquant les unités pour les compositions et les débits (% molaire ou
massique, Kmol.h-1 ou Kg.h-1).
L

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On note ensuite sur le schéma toutes les données provenant des essais en laboratoire
(compositions, taux de conversion, rapports de débits…) ainsi que les flux connus ou les capacités
de production. Cette étape permet de s'assurer que le système est bien défini par l'ensemble des
conditions et des hypothèses de fonctionnement et que la variance est nulle.
On dénombre enfin toutes les inconnues pour lesquelles l'écriture d'un nombre équivalent
d'équations indépendantes, linéaires ou non linéaires et leur résolution conduiront à la solution du
problème.
Le type et l'architecture des procédés que le spécialiste est amené à étudier peuvent varier
très largement. Chaque cas nécessite, donc, une analyse spécifique, fonction de ses caractéristiques.
On peut, cependant, dégager un certain nombre de règles générales qui guideront le
praticien dans la résolution de chaque cas particulier.
2.1 - Analyse globale du procédé
Dans ce cas, le système considéré est le procédé dans son ensemble. Si le procédé comporte
n entrées et m sorties, le problème met déjà en jeu n+m débits massiques (ou molaires). Si le
procédé utilise p espèces chimiques différentes, éventuellement présentes dans les n-entrées et les
m-sorties, le problème consiste à déterminer les (n+m) p débits partiels correspondants.
* Dans le cas où il n'y a pas de réaction chimique, les équations de conservation de chacune
des espèces (bilan massique ou molaire) fournissent plusieurs relations indépendantes. Le problème
est d'autant plus ouvert que le nombre d'entrées et de sorties est élevé et le praticien devra, donc,
trouver :
p (n + m – 1)
relations supplémentaires.
* Si l'unité étudiée comporte un ou plusieurs réacteurs, on ne peut écrire la conservation des
réactifs qui sont transformés par chacune des réactions. On peut cependant écrire le bilan de masse
global qui ne fournit qu'une seule équation, généralement utilisée pour valider les résultats.
Dans ce cas, on peut écrire les équations qui traduisent la conservation des éléments
chimiques présents, dans tous les produits (on entend par élément chimique, tous les atomes tels
que H, C, O, N, etc….). Si l'ensemble des constituants (réactifs, produits, impuretés, solvants…)
met en jeu q éléments chimiques, le nombre d'équations indépendantes est égal à q-1. Le nombre de
relations supplémentaires devient maintenant :
p (n + m) – q + 1
Chercher ces relations supplémentaires constitue, à chaque fois, un problème particulier. On
peut, cependant, indiquer que :

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- la composition de certains courants peut être connue (par exemple, on sait qu'une matière
première est pure) ou bien doit être imposée (par exemple, tel produit n'est commercialisable que
s'il satisfait certaines spécifications),
- certaines performances globales doivent être connues. Par exemple, on doit pouvoir
évaluer, d'une manière ou d'une autre, les consommations de certaines espèces et les productions
d'autres par les réactions chimiques mises en jeu. On doit, également, pouvoir fixer les taux de
partage de certaines espèces que les dispositifs de séparation et de purification vont permettre
d'atteindre.
Par exemple, dans une première analyse grossière, on pourra supposer que les rendements et
sélectivités chimiques mesurés au laboratoire vont être atteints à l'échelle industrielle. Pour les
séparations, on fera souvent l'hypothèse qu'elles sont tranchées, c'est-à-dire que chaque produit se
retrouve dans un seul courant précis et parfois à l'état pur. Il est utile de préciser, ici, que tant que le
spécialiste ne dispose pas du nombre de relations nécessaire, résoudre le bilan matière global
s'avère tout simplement impossible. La seule solution consiste à poursuivre le raisonnement pour
établir les relations manquantes. Ce travail peut imposer d'effectuer des mesures, en particulier sur
les efficacités des transformations chimiques.(taux de conversion, sélectivité,…)
Au niveau des bilans énergétiques, le problème comporte (n+m) températures inconnues et
un flux global d'échange avec le milieu extérieur, soit (n+m+1) inconnues. Au départ, le spécialiste
dispose d'une seule équation, celle de bilan enthalpique global. Il doit, donc, trouver (n+m)
équations supplémentaires pour fermer le problème. Très souvent, il connaîtra ou fixera
arbitrairement les températures de chaque courant et calculera le flux global d'échange.
2.2 - Analyse appareil par appareil
Si l'analyse globale d'un procédé fournit déjà des informations utiles, par exemple sur les
flux de matières premières, les flux de produits, le flux global d'énergie thermique à échanger avec
l'extérieur, elle est loin de donner toutes les informations nécessaires. Le design de chacun des
appareils qui constituent l'unité ne devient possible, en effet, que lorsque les débits entrant et
sortant, les températures et les compositions des courants correspondants sont connus.
Le nombre d'inconnus devient beaucoup plus élevé que précédemment puisqu'il faut
déterminer, outre les débits, températures et compositions des entrées et sorties dans l'unité et le
flux global échangé avec l'extérieur, toutes les caractéristiques des courants entre appareils et les
flux de chaleur échangés avec l'extérieur appareil par appareil.Heureusement, le nombre
d'équations croît aussi puisqu'on peut ajouter aux bilans matière et enthalpie globaux, ces mêmes
bilans appareils par appareils. Il n'en reste pas moins vrai que, si on se limitait à ces relations, le
problème resterait ouvert. Il faut donc ajouter un grand nombre d'équations supplémentaires
correspondant, soit au comportement chimique et physique global de l'unité, soit maintenant à ces
mêmes comportements mais appareil par appareil.
Comme nous l'avons fait dans le paragraphe précédent, nous voulons préciser que les bilans
ne deviennent solubles qu'à partir du moment où on a réuni suffisamment d'informations sur les
performances de chaque appareil pour fermer le problème. Ajoutons que la précision des calculs de
bilan s'améliore au fur et à mesure qu'on affine les caractéristiques du fonctionnement de chaque
appareil.